通信原理第四章课件

1、1第第4章章 信信 道道主要内容主要内容4.0 概述概述4.1 无线信道无线信道4.2 有线信道有线信道4.3 信道的数学模型信道的数学模型4.4 信道特性对信号传输的影响信道特性对信号传输的影响4.5 信道中的噪声信道中的噪声4.6 信道容量信道容量2学习目标学习目标信道的定义、分类和模型；信道的定义、分类和模型；恒参信道的特性及其对信号传输的影响；恒参信道的特性及其对信号传输的影响；随参信道的特性及其对信号传输的影响；随参信道的特性及其对信号传输的影响；信道噪声的统计特性；信道噪声的统计特性；信道容量和香农公式。信道容量和香农公式。3l信道分类：信道分类：u狭义信道狭义信道：各种物理传输媒

2、质，可分为：各种物理传输媒质，可分为有线信道和无线有线信道和无线信道信道。u广义信道广义信道：把信道范围扩大（除传输媒质处，还包括馈：把信道范围扩大（除传输媒质处，还包括馈线与天线、放大器、调制解调器等装置）后所定义的信线与天线、放大器、调制解调器等装置）后所定义的信道。目的是为了方便研究通信系统的一些基本问题，可道。目的是为了方便研究通信系统的一些基本问题，可分为：分为：调制信道和编码信道调制信道和编码信道。 信道是以信道是以传输媒质传输媒质为基础的通道。信道连接发送端和接收端的为基础的通道。信道连接发送端和接收端的通信设备，其功能是将信号从发送端传送到接收端。通信设备，其功能是将信号从发送

3、端传送到接收端。4.0 信道分类信道分类信道参数：信道参数：信道带宽、容量、衰减、延迟、噪声信道带宽、容量、衰减、延迟、噪声4调制信道调制信道编码信道编码信道发转换器发转换器媒质媒质收转换器收转换器解调器解调器译码器译码器编码器编码器调制器调制器输入输入广义广义狭义狭义广义信道中必定包含传输广义信道中必定包含传输媒介（媒介（狭义信道狭义信道），无论），无论何种广义信道，其通信质何种广义信道，其通信质量在很大程度上依赖于量在很大程度上依赖于传传输媒介输媒介的特性的特性4.0 信道分类信道分类5有线信道和无线信道有线信道和无线信道u有线信道有线信道 ：明线、对称电缆，同轴电缆、光纤、波导等；：明线

4、、对称电缆，同轴电缆、光纤、波导等；u无线信道无线信道 ：指可用来传输电磁波（包括光波）的自由空间：指可用来传输电磁波（包括光波）的自由空间或大气或大气,地波、天波、视距、散射地波、天波、视距、散射 4.0 信道分类信道分类6调制信道和编码信道调制信道和编码信道u调制信道调制信道：用来研究：用来研究调制与解调调制与解调问题，其范围从调制器问题，其范围从调制器输出端至解调器输入端；输出端至解调器输入端；u编码信道：编码信道：用来研究用来研究编码与译码编码与译码问题，其范围从编码器问题，其范围从编码器输出端到解码器输入端。输出端到解码器输入端。编码器输入调制器发转换器媒质收转换器解调器译码器输出编

5、码信道调制信道调制信道不包调制信道不包括调制器和解括调制器和解调器调器调制信道中传调制信道中传输的是已调信输的是已调信号，已调信号号，已调信号可以是模拟的，可以是模拟的，也可以是数字也可以是数字的的编码信道中传输的编码信道中传输的是编码后的数字信是编码后的数字信号，常把编码信道号，常把编码信道称之为离散信道或称之为离散信道或数字信道数字信道编码信道除了包含调制编码信道除了包含调制信道外，还可能包含调信道外，还可能包含调制器和编码器，所以，制器和编码器，所以，调制信道的特性会影响调制信道的特性会影响编码信道的通信质量。编码信道的通信质量。 4.0 信道分类信道分类7 恒参信道和随参信道恒参信道和

6、随参信道 根据信道特性参数随时间变化的速度来分根据信道特性参数随时间变化的速度来分u恒参信道：恒参信道：信道特性参数随时间缓慢变化或不变化信道特性参数随时间缓慢变化或不变化。它对传。它对传输信号的衰耗和延时基本上是常数（明线、对称电缆、同轴输信号的衰耗和延时基本上是常数（明线、对称电缆、同轴电缆及光纤等各种有线信道；中长波地波传播、卫星中继、电缆及光纤等各种有线信道；中长波地波传播、卫星中继、光波视距传播等部分无线信道）。光波视距传播等部分无线信道）。u随参信道：信道参数随时间变化，也称为随参信道：信道参数随时间变化，也称为变参或时变信道变参或时变信道。随参信道中还存在随参信道中还存在多径效应

7、多径效应。由于每条路径的信号有不同的。由于每条路径的信号有不同的延时和衰落，更糟糕的是，这些延时和衰落还随时间变化，延时和衰落，更糟糕的是，这些延时和衰落还随时间变化，从而使得输出信号产生衰落，所以随参信道也称为衰落信道。从而使得输出信号产生衰落，所以随参信道也称为衰落信道。（短波电离层反射信道、各种散射信道（超短波流星余迹散（短波电离层反射信道、各种散射信道（超短波流星余迹散射、超短波及微波对流层散射、超短波电离层散射），超短射、超短波及微波对流层散射、超短波电离层散射），超短波超视距绕射等）波超视距绕射等）4.0 信道分类信道分类8 无记忆信道和有记忆信道无记忆信道和有记忆信道u无记忆信道

8、无记忆信道:前后码元发生错误是前后码元发生错误是互相独立的互相独立的。也就是说，一。也就是说，一个码元的错误与其前后码元是否发生错误无关。（信道内只个码元的错误与其前后码元是否发生错误无关。（信道内只存在起伏噪声）存在起伏噪声）u有记忆信道有记忆信道:一个码元发生的错误与前后码元一个码元发生的错误与前后码元有依赖关系有依赖关系。（信道内除了存在起伏噪声外，还存在衰落效应）（信道内除了存在起伏噪声外，还存在衰落效应）4.0 信道分类信道分类9调制调制信道信道无记忆无记忆 随参随参 ：天波、散射：天波、散射编码编码广义广义恒参恒参 ：有线、视距：有线、视距有记忆有记忆狭义狭义有线有线无线无线架空明

9、线架空明线双绞线双绞线同轴电缆同轴电缆光纤光纤电磁波电磁波( 地波、天波、视距、散射地波、天波、视距、散射 )4.0 信道分类信道分类10第第4章章 信信 道道主要内容主要内容4.0 概述概述4.1 无线信道无线信道4.2 有线信道有线信道4.3 信道的数学模型信道的数学模型4.4 信道特性对信号传输的影响信道特性对信号传输的影响4.5 信道中的噪声信道中的噪声4.6 信道容量信道容量11 为了有效地发射和接收电磁波，要求天线的尺寸不小为了有效地发射和接收电磁波，要求天线的尺寸不小于电磁波波长的于电磁波波长的1/10n无线信道电磁波频率（频率比较高）受无线信道电磁波频率（频率比较高）受天线尺寸

10、天线尺寸限制限制 除了外层空间两个飞船的无线电收发信机之间的电磁波是除了外层空间两个飞船的无线电收发信机之间的电磁波是在在自由空间自由空间传播外，我们所研究的无线通信的电磁波传播总是受传播外，我们所研究的无线通信的电磁波传播总是受到到地面和大气层地面和大气层的影响的影响。n地球大气层的结构地球大气层的结构u对流层：地面上对流层：地面上 0 10 kmu平流层：约平流层：约10 60 kmu电离层：约电离层：约60 400 km地 面对流层平流层电离层10 km60 km0 km4.1 无线信道无线信道12根据通信距离、频率和位置的不同，电磁波传播可以分为：根据通信距离、频率和位置的不同，电磁波

11、传播可以分为：地波地波天波或称电离层反射波天波或称电离层反射波视线传播视线传播4.1 无线信道无线信道13传播路径地 面地波传播：电磁波沿弯曲的地球表面传播的传播方式地波传播：电磁波沿弯曲的地球表面传播的传播方式n低频和甚低频，频率低频和甚低频，频率 2 MHzn有绕射能力有绕射能力,沿弯曲的地球表面传播沿弯曲的地球表面传播n距离：数百或数千千米距离：数百或数千千米 4.1 无线信道无线信道14天波：利用电离层反射的传播方式天波：利用电离层反射的传播方式n高频，频率：高频，频率：2 30 MHzn特点：特点：被电离层反射被电离层反射 n一次反射距离：一次反射距离： 30 MHzn特点：频率高于

12、特点：频率高于30M的电磁波能穿透电的电磁波能穿透电离层，离层，不被反射回来不被反射回来，此外也，此外也不具有绕射能力不具有绕射能力n距离距离: 和天线高度有关和天线高度有关 D 收发天线间距离收发天线间距离(km) r地球半径地球半径6370km例例 若要求若要求D = 50 kmn增大视线传播距离的其他途径增大视线传播距离的其他途径u中继通信：中继通信：50822DrDh mm505050508222 DrDh4.1 无线信道无线信道17卫星通信：静止卫星、移动卫星卫星通信：静止卫星、移动卫星n 静止卫星：静止卫星：在距地面约在距地面约35800km的赤道平面上人造卫星围绕地球转动的赤道平

13、面上人造卫星围绕地球转动的周期和地球的自转周期相等，从地面上看卫星好像静止不动，称为的周期和地球的自转周期相等，从地面上看卫星好像静止不动，称为静止卫星。静止卫星。 三颗三颗静止卫星作为转发站可以覆盖全球通信。静止卫星作为转发站可以覆盖全球通信。n 移动卫星（非静止卫星）：移动卫星（非静止卫星）：高度比静止卫星要低，周期也不同高度比静止卫星要低，周期也不同n费用高、延时大费用高、延时大平流层通信：平流层通信：是指利用是指利用平流层平流层的高空平台代替卫星作为基站，高度一般为的高空平台代替卫星作为基站，高度一般为1722km，可以使用充氦飞艇、气球或飞机作为安置转发站的平台。，可以使用充氦飞艇、

14、气球或飞机作为安置转发站的平台。 高度为高度为20km,可以覆盖半径可以覆盖半径500km的面积，的面积，250个，就可以覆盖全球个，就可以覆盖全球90%的面积。的面积。 费用低廉、延时小，建设快、容量大。费用低廉、延时小，建设快、容量大。4.1 无线信道无线信道18大气层对于传播的影响大气层对于传播的影响n散射散射n吸收吸收 1GHz以上的电磁波的传播衰减比较大，随着频率的增高，以上的电磁波的传播衰减比较大，随着频率的增高，衰减越严重衰减越严重4.1 无线信道无线信道19 散射是由于传播媒体的不均匀性，使电磁波的传播产生向许散射是由于传播媒体的不均匀性，使电磁波的传播产生向许多方向折射的现象

15、。散射现象具有强的方向性，散射的能量主要多方向折射的现象。散射现象具有强的方向性，散射的能量主要集中于前方，故常称之为集中于前方，故常称之为前向散射前向散射。 有有电离层散射电离层散射、对流层散射对流层散射和和流星余迹散射流星余迹散射三种。三种。电离层散射电离层散射 发生在发生在30MHz60MHz的电磁波上，散射信号的强度与的电磁波上，散射信号的强度与30MHz以下的电离层反射信号的强度相比，要小的多，但是仍然以下的电离层反射信号的强度相比，要小的多，但是仍然可以用于通信。可以用于通信。4.1 无线信道无线信道20地球有效散射区域对流层散射：对流层散射：是由于对流层中的大气不均与性产生的。是

16、由于对流层中的大气不均与性产生的。 对流层中大气湍流运动产生不均匀性，引起电磁波的散射，对流层中大气湍流运动产生不均匀性，引起电磁波的散射，可提供可提供 12 240 频分复用话路。频分复用话路。信号频率范围为：信号频率范围为：100 MHz 4000 MHz传播距离约传播距离约 100 600 km，通信距离最大约为通信距离最大约为 600 km4.1 无线信道无线信道21 流星余迹散射：流星余迹散射：由于流星经过大气层时产生的很强的电离余迹由于流星经过大气层时产生的很强的电离余迹使电磁波散射的现象。使电磁波散射的现象。流星余迹特点流星余迹特点 高度高度80 120 km，长度，长度15 4

17、0 km, 存留时间：小存留时间：小 于于1秒至几分钟秒至几分钟频率频率 30 100 MHz距离距离 1000 km以上以上特点特点 低速存储、高速突发、断续传输低速存储、高速突发、断续传输流星余迹4.1 无线信道无线信道22第第4章章 信信 道道主要内容主要内容4.0 概述概述4.1 无线信道无线信道4.2 有线信道有线信道4.3 信道的数学模型信道的数学模型4.4 信道特性对信号传输的影响信道特性对信号传输的影响4.5 信道中的噪声信道中的噪声4.6 信道容量信道容量231 明线明线4.2 有线信道有线信道24 2 对称电缆：对称电缆：由许多对双绞线组成，根据物理结构的不同，由许多对双绞

18、线组成，根据物理结构的不同，双绞线又分为两种：双绞线又分为两种：非屏蔽双绞线（简称非屏蔽双绞线（简称UTP）和和屏蔽双绞线屏蔽双绞线（简称（简称STP）。4.2 有线信道有线信道非屏蔽双绞线（非屏蔽双绞线（UTP）屏蔽双绞线（屏蔽双绞线（STP）25l3 同轴电缆同轴电缆:由对地不对称的同轴管构成。由对地不对称的同轴管构成。内层导体内层导体外层导体外层导体绝绝 缘缘 体体包包 层层v分类：分类：50同轴电缆：适于传输基带数字信号，常用于计算同轴电缆：适于传输基带数字信号，常用于计算 机局域网或电话系统的远程传输；机局域网或电话系统的远程传输；75同轴电缆：又称宽带同轴电缆主要用于模拟传输同轴电

19、缆：又称宽带同轴电缆主要用于模拟传输 系统，是系统，是CATV的标准传输电缆。的标准传输电缆。4.2 有线信道有线信道26线路类型线路类型 通话路数通话路数 频率范围频率范围（kHz） 增音段长度增音段长度 ( km ) 架空明线架空明线 1+30.32.7300架空明线架空明线1+3+120.315080120对称电缆对称电缆241210835对称电缆对称电缆 60122521218小同轴电缆小同轴电缆 3006013008小同轴电缆小同轴电缆 960 6041004中同轴电缆中同轴电缆180030090006中同轴电缆中同轴电缆2700300120004.5中同轴电缆中同轴电缆10800

20、30060000 1.5 4.2 有线信道有线信道27l4 光纤：光纤： 物理结构和同轴电缆相似，但是没有网状屏蔽层。物理结构和同轴电缆相似，但是没有网状屏蔽层。中心是玻璃芯，称为中心是玻璃芯，称为纤芯纤芯，芯外面包围着一层折射率比芯低，芯外面包围着一层折射率比芯低的玻璃封套，称为的玻璃封套，称为包层包层。再外面是一层薄的塑料外套，用来。再外面是一层薄的塑料外套，用来保护玻璃封套保护玻璃封套4.2 有线信道有线信道折射角折射角入射角入射角 包层包层（低折射率的媒体）（低折射率的媒体） 包层包层（低折射率的媒体）（低折射率的媒体） 纤芯纤芯（高折射率的媒体）（高折射率的媒体） 包层包层纤芯纤芯2

21、8n1n2 (1) (1)阶跃光纤阶跃光纤。纤芯直径纤芯直径5060m，光线以折射形状沿纤芯，光线以折射形状沿纤芯轴线方向传播，存在多条路径，并有较大的时延差，因而信号畸轴线方向传播，存在多条路径，并有较大的时延差，因而信号畸变大。最早的多模光纤属此类。变大。最早的多模光纤属此类。4.2 有线信道有线信道n按折射率分类：按折射率分类：阶跃型和梯度型阶跃型和梯度型29n2n(r) (2) (2)渐变光纤渐变光纤( (梯度光纤）。梯度光纤）。纤芯直径纤芯直径50m，光线以曲线形，光线以曲线形状沿纤芯轴线方向传播，各条路径时延差较小，因而信号畸变较小。状沿纤芯轴线方向传播，各条路径时延差较小，因而信

22、号畸变较小。纤芯的折射率分布近似为抛物线型，又称梯度光纤。目前，多模光纤芯的折射率分布近似为抛物线型，又称梯度光纤。目前，多模光纤均为此类。纤均为此类。4.2 有线信道有线信道30n按模式分类：按模式分类：多模光纤多模光纤和和单模光纤单模光纤4.2 有线信道有线信道高折射率(纤芯)低折射率(包层)光线在纤芯中传输的方式是不断地全反射输入脉冲输出脉冲单模光纤单模光纤输入脉冲输出脉冲多模光纤多模光纤31 单模光纤单模光纤：纤芯很细，直径约：纤芯很细，直径约10m，光线以直线形状沿纤，光线以直线形状沿纤芯轴线方向传播，只有一种传播模式，信号畸变很小。单模光纤芯轴线方向传播，只有一种传播模式，信号畸变

23、很小。单模光纤的带宽可以达到的带宽可以达到1Tbit/sn1n24.2 有线信道有线信道32衰减衰减衰减衰减输入信号输入信号输出信号输出信号时间时间时间时间色散色散脉冲展宽脉冲展宽失真失真频率频率非线性非线性新频率新频率光光纤纤对对信信号号的的损损伤伤从对信号的损伤来看，主要局限是从对信号的损伤来看，主要局限是损耗（衰减）、色散和非线性失真损耗（衰减）、色散和非线性失真4.2 有线信道有线信道33（1 1）光纤的损耗）光纤的损耗 由由材料吸收和杂质散射材料吸收和杂质散射等因素引起，损耗特性与光的工作波长有等因素引起，损耗特性与光的工作波长有关，在关，在三个工作窗口有相对小三个工作窗口有相对小的

24、损耗的损耗: : 第一窗口光工作波长第一窗口光工作波长0.85m,损耗稍大损耗稍大 第二窗口光工作波长第二窗口光工作波长1.31m,损耗中等损耗中等 第三窗口光工作波长第三窗口光工作波长1.55m,损耗最小损耗最小4.2 有线信道有线信道34（2 2）光纤的色散）光纤的色散 材料色散：材料色散：由于材料的折射率随频率变化产生的由于材料的折射率随频率变化产生的 模式色散：模式色散：由于光纤所传输信号中由于光纤所传输信号中不同模式不同模式成分因成分因传传输速度输速度的不同而引起传输信号发生畸变的一种物理现象。的不同而引起传输信号发生畸变的一种物理现象。 波导色散：波导色散：由于光纤所传输信号中由于

25、光纤所传输信号中不同频率不同频率成分因成分因传传输速度输速度的不同而引起传输信号发生畸变的一种物理现象的不同而引起传输信号发生畸变的一种物理现象。4.2 有线信道有线信道35 由于光纤所传输信号中由于光纤所传输信号中不同模式不同模式成分因成分因传输速度传输速度的不同而引的不同而引起传输信号发生畸变的一种物理现象。起传输信号发生畸变的一种物理现象。主模主模高次模高次模n1k k主模主模高次模高次模入射光脉冲波入射光脉冲波ttt主模主模高次模高次模出射光脉冲波出射光脉冲波ttt4.2 有线信道有线信道36 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8402002060总色

26、散曲线总色散曲线（常规光纤（常规光纤G.652)G.652)材料色散曲线材料色散曲线波导色散曲线波导色散曲线（ps/km.nm）G.655G.655色散曲线色散曲线G.653G.653色散曲线色散曲线单模光纤的色散谱单模光纤的色散谱 4.2 有线信道有线信道37l5 波导波导:由一个由一个中空的金属管中空的金属管构成，其横截面可以是矩形、椭构成，其横截面可以是矩形、椭圆形或圆形。圆形或圆形。n优点：在微波频率上衰减很小。优点：在微波频率上衰减很小。n应用场合：常用作微波发送机和微波天线之间的有效连接。应用场合：常用作微波发送机和微波天线之间的有效连接。4.2 有线信道有线信道38通信媒体比较通

27、信媒体比较4.2 有线信道有线信道39第第4章章 信信 道道主要内容主要内容4.0 概述概述4.1 无线信道无线信道4.2 有线信道有线信道4.3 信道的数学模型信道的数学模型4.4 信道特性对信号传输的影响信道特性对信号传输的影响4.5 信道中的噪声信道中的噪声4.6 信道容量信道容量404.3 信道的数学模型信道的数学模型信道模型信道模型用来描述物理信道的用来描述物理信道的特性特性及其对及其对信号传输带来的影响信号传输带来的影响。编码器输入调制器发转换器媒质收转换器解调器译码器输出编码信道调制信道41 信道输入端信号电压；信道输入端信号电压； 信道输出端的信号电压；信道输出端的信号电压；

28、信道加性噪声，独立于信号且始终存在。信道加性噪声，独立于信号且始终存在。假设：假设：上式变为：上式变为： 信道数学模型信道数学模型f ei(t)e0(t)ei(t)n(t)()()(tntefteio )(tei)(teo)(tn)()()(tetktefii )()()()(tntetkteio 4.3.1 调制信道模型调制信道模型调制信道调制信道一般抽象为输出端叠加有噪声的线性时变网络。一般抽象为输出端叠加有噪声的线性时变网络。k(t)e0(t)ei(t)n(t)信道特信道特性函数性函数42加性干扰加性干扰n(t)：是叠加在信号上的各种噪声。：是叠加在信号上的各种噪声。 “加性加性”的含义

29、：的含义：没有信号输入时，信道输出端也有噪声输出，没有信号输入时，信道输出端也有噪声输出，即噪声是独立于信号且始终存在的。即噪声是独立于信号且始终存在的。乘性干扰乘性干扰k(t) ：因因k(t)与与e i (t)相乘，是由于信道特性的不理想造成相乘，是由于信道特性的不理想造成的，它完全依赖于信道的特性。的，它完全依赖于信道的特性。 “乘性乘性”的含义：的含义：没有输入信号时，信道输出端就没有噪声输没有输入信号时，信道输出端就没有噪声输出，即乘性干扰是和信号共存在共消失的。出，即乘性干扰是和信号共存在共消失的。)()()()(tntetkteio k(t)反映了信道的特性，表示信道使信号可能产生

30、的各种失反映了信道的特性，表示信道使信号可能产生的各种失真真(包括线性失真、非线性失真、时间延迟及衰落等包括线性失真、非线性失真、时间延迟及衰落等)。 调制信道对信号的影响程度取决于乘性干扰调制信道对信号的影响程度取决于乘性干扰k(t)和加性干扰和加性干扰n(t)。4.3.1 调制信道模型调制信道模型43若若k(t)随时间随机随时间随机变化快变化快的信道，称之为的信道，称之为随参信道随参信道。若若k(t)变化变化很慢，很小或基本保持恒定的信道很慢，很小或基本保持恒定的信道，称信道为，称信道为恒参信道恒参信道。4.3.1 调制信道模型调制信道模型444.3.2 编码信道模型编码信道模型其性能用其

31、性能用转移概率转移概率 描述描述 误码率误码率)(ijxyp 由于编码信道传输的是编码后的数字序列由于编码信道传输的是编码后的数字序列,我们关心的是数我们关心的是数字信号经信道传输后的字信号经信道传输后的差错情况差错情况,即即误码率误码率,所以编码信道的模型所以编码信道的模型一般用数字转移概率来描述一般用数字转移概率来描述.454.3.2 编码信道模型编码信道模型二进制编码信道简单模型二进制编码信道简单模型P(1/0)P(0/1)0011P(0/0)P(1/1)发送端发送端接收端接收端P(0 / 0)和和P(1 / 1) 正确转移概率正确转移概率P(1/ 0)和和P(0 / 1) 错误转移概率

32、错误转移概率P(0 / 0) = 1 P(1 / 0)P(1 / 1) = 1 P(0 / 1) 误码率误码率Pe=P(0)P(1/0)+P(1)P(0/1) 特征：特征：离散、离散、无记忆无记忆、有扰系统有扰系统信道的转移矩阵信道的转移矩阵(0|0)(1|0)(0|1)(1|1)ppPpp4601233210接接收收端端发发送送端端4.3.2 编码信道模型编码信道模型四进制编码信道简单模型四进制编码信道简单模型(0|0)(1|0)(2|0)(3|0)(0|1)(1|1)(2|1)(3|1)(0|2)(1|2)(2|2)(3|2)(0|3)(1|3)(2|3)(3|3)ppppppppPppp

33、ppppp信道的转移矩阵信道的转移矩阵47第第4章章 信信 道道主要内容主要内容4.0 概述概述4.1 无线信道无线信道4.2 有线信道有线信道4.3 信道的数学模型信道的数学模型4.4 信道特性对信号传输的影响信道特性对信号传输的影响4.5 信道中的噪声信道中的噪声4.6 信道容量信道容量48 恒参信道恒参信道 信道的特性参数随时间变化缓慢或者不变化。信道的特性参数随时间变化缓慢或者不变化。 它对传输信号的衰耗和延时基本上是它对传输信号的衰耗和延时基本上是常数常数。可等效为。可等效为 非时变线非时变线性网络性网络 ，可用，可用信号通过信号通过线性系统线性系统的分析方法的分析方法n各种有线信道

34、：明线，对称电缆，同轴电缆，光纤各种有线信道：明线，对称电缆，同轴电缆，光纤n部分无线信道：卫星信道，中长波地波传播，光波视距传播部分无线信道：卫星信道，中长波地波传播，光波视距传播4.4 信道特性对信号传输的影响信道特性对信号传输的影响-恒参信道恒参信道 49 无失真条件无失真条件: （1）振幅振幅-频率特性频率特性为为一条直线一条直线，即，即|H()|=K0 （常数），（常数），表示表示信号的不同频率成分经过信道传输后具有相同的衰减信号的不同频率成分经过信道传输后具有相同的衰减。 （2）相位相位-频率特性频率特性是是一条通过原点的直线一条通过原点的直线，即，即 ，或者等效的要求其或者等效的

35、要求其群延时特性群延时特性()等于常数（水平直线）：等于常数（水平直线）：信号的不同频率成分经过信道传输后具有相同的迟延。信号的不同频率成分经过信道传输后具有相同的迟延。1、恒参信道的传输特性、恒参信道的传输特性H( ) 可用可用幅频特性幅频特性|H( )| 和和相频特性相频特性 共同来描述。共同来描述。()( ) |( )|jHHe ()()()ddtd 常 数4.4 信道特性对信号传输的影响信道特性对信号传输的影响-恒参信道恒参信道 () ()dt 50理想信道的幅频特性、相频特性和群迟延理想信道的幅频特性、相频特性和群迟延频率特性频率特性4.4 信道特性对信号传输的影响信道特性对信号传输

36、的影响-恒参信道恒参信道 频率(kHz)（ms）群延迟(b) 群延迟频率特性群延迟频率特性插入损耗频率特性插入损耗频率特性典型电话信道特性典型电话信道特性512、两种失真及其影响、两种失真及其影响n频率失真频率失真：振幅频率特性不良引起的，即振幅频率特性不良引起的，即 表示信号中表示信号中不同频率的分量分别受到信道不同的衰减不同频率的分量分别受到信道不同的衰减。u模拟信号：波形失真模拟信号：波形失真信噪比下降信噪比下降u数字信号：码间串扰数字信号：码间串扰误码率增大误码率增大n相位失真：相位失真：相位频率特性不良引起的，即相位频率特性不良引起的，即 表示信号中表示信号中不同频率的分量分别受到信

37、道不同的时延。不同频率的分量分别受到信道不同的时延。u对语音影响不大对语音影响不大u数字信号影响大：码间串扰数字信号影响大：码间串扰误码率增大误码率增大线线性性失失真真)()(常数常数KH dt )( 线性失真的解决办法：线性失真的解决办法：线性网络补偿（幅度和相位均衡器）线性网络补偿（幅度和相位均衡器）4.4 信道特性对信号传输的影响信道特性对信号传输的影响-恒参信道恒参信道 52合成波合成波tt接收信号接收信号发送信号发送信号三次谐波三次谐波基波基波合成波合成波三次谐波三次谐波基波基波4.4 信道特性对信号传输的影响信道特性对信号传输的影响-恒参信道恒参信道 53合成波合成波tt接收信号接

38、收信号发送信号发送信号三次谐波三次谐波基波基波合成波合成波三次谐波三次谐波基波基波4.4 信道特性对信号传输的影响信道特性对信号传输的影响-恒参信道恒参信道 54u非线性失真：非线性失真： 信道输入和输出信号的振幅关系不是直线关系。信道输入和输出信号的振幅关系不是直线关系。 原因：电子元器件特性不理想原因：电子元器件特性不理想 后果：使信号产生新的后果：使信号产生新的谐波分量谐波分量u其他失真：其他失真：u频率偏移：频率偏移：是指信道输入信号的频谱经过信道后产生了平移。是指信道输入信号的频谱经过信道后产生了平移。 原因：原因：由于调制解调或频率变换的振荡器的由于调制解调或频率变换的振荡器的频率

39、误差频率误差引起的。引起的。u相位抖动：相位抖动：相位不稳定相位不稳定 原因：原因：调制解调或频率变换的振荡器调制解调或频率变换的振荡器频率不稳定频率不稳定引起的，引起的， 后果：后果：对信号产生附加调制。对信号产生附加调制。非线性关系直线关系输入电压输出电压4.4 信道特性对信号传输的影响信道特性对信号传输的影响-恒参信道恒参信道 失真无法消除！失真无法消除！55 随参信道：随参信道：又称时变信道，又称时变信道，信道参数随时间改变而随机变化信道参数随时间改变而随机变化。 天波、地波、视距传播、散射传播天波、地波、视距传播、散射传播随参信道的特性：随参信道的特性：n信号的传输衰减随时间变化信号

40、的传输衰减随时间变化n信号传输时延随时间变化信号传输时延随时间变化n多径传播多径传播现象，是指由发射点出发的信号经过多条路径到达接现象，是指由发射点出发的信号经过多条路径到达接收端，而且每条路径的长度（时延）和衰减都随时间而变，接收端，而且每条路径的长度（时延）和衰减都随时间而变，接收信号将是衰减和时延随时间变化的各条路径信号的合成。收信号将是衰减和时延随时间变化的各条路径信号的合成。多径效应多径效应：多径传播对信号的影响称为多径效应。多径传播对信号的影响称为多径效应。4.4 信道特性对信号传输的影响信道特性对信号传输的影响-随参信道随参信道56(a)一次反射和两次反射一次反射和两次反射 (b

41、)反射区高度不同反射区高度不同(c)寻常波与非寻常波寻常波与非寻常波 (d)漫射现象漫射现象ABAB(a)(b)ABAB(c)(d )4.4 信道特性对信号传输的影响信道特性对信号传输的影响-随参信道随参信道57hbd2dd1hm移动通信多径传播示意图移动通信多径传播示意图4.4 信道特性对信号传输的影响信道特性对信号传输的影响-随参信道随参信道58多径效应分析：多径效应分析： 设发射信号为设发射信号为 ，它经过，它经过n条路径条路径传播到接收端，则传播到接收端，则接收信号为接收信号为 由第由第i条路径到达的接收信号振幅；条路径到达的接收信号振幅； 由第由第i条路径达到的信号的时延；条路径达到

42、的信号的时延； 都是都是随机变化随机变化的。的。tA0cos niniiiiitttttttR1100)(cos)()(cos)()( )(ti )(ti )()(0ttii )(),(),(tttiii 多径效应多径效应 n 条路径条路径 59 R(t)可以看成是由互相正交的两个分量组成的。这两个分量的振幅可以看成是由互相正交的两个分量组成的。这两个分量的振幅都是缓慢随机变化的。都是缓慢随机变化的。 接收信号的包络，接收信号的包络，瑞利分布瑞利分布 接收信号的相位接收信号的相位 ，均匀分布均匀分布 niniiiiitttttttR1100)(cos)()(cos)()( niniiiiitt

43、tttttR1100sin)(sin)(cos)(cos)()( )(cos)(sin)(cos)()(000tttVttXttXtRsc )()()(22tXtXtVsc )()(tan)(1tXtXtcs 多径效应多径效应60发送信号：发送信号：振幅恒定，单一频率振幅恒定，单一频率接收信号：包络起伏，频率扩展的接收信号：包络起伏，频率扩展的窄带信号窄带信号。（1）瑞利型衰落）瑞利型衰落-波形上，确知等幅度变成了包络缓慢起伏的随机调波形上，确知等幅度变成了包络缓慢起伏的随机调幅波（衰落信号）幅波（衰落信号）（2）频率弥散（频率扩展）频率弥散（频率扩展）-频谱上，单根谱线变成了窄带频谱。频谱上

44、，单根谱线变成了窄带频谱。 )( R 00 )(tRV (t)t多径效应多径效应61 衰落衰落：信号包络因传播有了：信号包络因传播有了起伏的现象起伏的现象称之为衰落。称之为衰落。快衰落快衰落 衰落周期和码元周期可以相比，周期是秒或者秒以下衰落周期和码元周期可以相比，周期是秒或者秒以下 的数量级。的数量级。是由多径传播引起的是由多径传播引起的。慢衰落慢衰落 起伏周期比较长，可能以若干小时或者若干天。起伏周期比较长，可能以若干小时或者若干天。由传由传 播条件引起的，季节，日夜，天气。播条件引起的，季节，日夜，天气。 多径效应多径效应62多径效应简化分析，多径效应简化分析，有两条路径，有两条路径，路

45、径衰减相同，时延不同路径衰减相同，时延不同； 发射信号为：发射信号为：f(t) 两条路径的接收信号为：两条路径的接收信号为：A f(t - 0) 和和 A f(t - 0 - ) 其中：其中：A 传播衰减，传播衰减， 0 第一条路径的时延，第一条路径的时延， 两条路径的时延差。两条路径的时延差。 求：此多径信道的传输函数求：此多径信道的传输函数H() tf0Af t tR0Af tA延迟延迟0延迟延迟 0 +A多径效应多径效应63多径信道的传输函数为多径信道的传输函数为: A 常数衰减因子，常数衰减因子， 确定的传输时延确定的传输时延0， 和信号频率和信号频率 有关的复因子，其模为有关的复因子

46、，其模为)()( Ftf0)()(0 jeAFtAf )(00)()( jeAFtAf)1()()()(000 jjeeAFtAftAf 00( )(1)( )(1)( )jjjjAFeeHAeeF输出信号的频谱函数输入信号的频谱函数0 je )1( je 2cos2sin)cos1(sincos1122 jej多径效应多径效应64模与角频率模与角频率 关系曲线图关系曲线图2cos2sin)cos1(sincos1122 jej 图中表示此多径信道的传输衰落和图中表示此多径信道的传输衰落和信号频率及时延差信号频率及时延差 有关。有关。曲线的最大值和最小值的位置取决于两条路径的相对时延差曲线的最

47、大值和最小值的位置取决于两条路径的相对时延差 。而。而 是随是随时间变化时间变化的，所以对于给定频率的信号，信号的强度随时间而的，所以对于给定频率的信号，信号的强度随时间而变，这种现象称为变，这种现象称为衰落衰落现象现象多径效应多径效应最大值最大值最小值最小值2/n (21)/n 65（3）频率选择性衰落）频率选择性衰落 多径信道的传输衰减和信号频率及时延差多径信道的传输衰减和信号频率及时延差 有关，因而导致信有关，因而导致信号（特别是宽带信号）中某些频率成分或其倍频波随机性衰落。号（特别是宽带信号）中某些频率成分或其倍频波随机性衰落。由由于这种衰落和频率有关，故常称其为于这种衰落和频率有关，

48、故常称其为频率选择性衰落频率选择性衰落。 它是多径效应中最严重的一种。它是多径效应中最严重的一种。多径效应多径效应66两条路径信道的相关带宽：两条路径信道的相关带宽：f=1/ (Hz) 它表示信道传输特性相邻两个零点之间的频率间隔。如果信它表示信道传输特性相邻两个零点之间的频率间隔。如果信号的频谱比相关带宽宽，则将产生严重的频率选择性衰落。号的频谱比相关带宽宽，则将产生严重的频率选择性衰落。为了为了减小频率选择性衰落，就应使信号的频谱小于相关带宽。减小频率选择性衰落，就应使信号的频谱小于相关带宽。 实际情况：实际情况：有多条路径。有多条路径。 设设 m 多径中最大的相对时延差多径中最大的相对时

49、延差 多径信道的相关带宽多径信道的相关带宽: f1/ m(Hz) 为使信号基本不受多径传播的影响，要求信号的带宽为使信号基本不受多径传播的影响，要求信号的带宽B小于小于多径信道的相关带宽多径信道的相关带宽f(=1/ m）多径效应多径效应67 但这并不是避免频率选择性衰落的充分条件，因为时延但这并不是避免频率选择性衰落的充分条件，因为时延 m是随机是随机变化的，导致多径传输特性的零极点也是随机变化的，所以必须采取变化的，导致多径传输特性的零极点也是随机变化的，所以必须采取其他有效的抗快衰落措施。其他有效的抗快衰落措施。 主要有：主要有：调制解调技术、扩频技术、功率控制技术、与交织结合调制解调技术

50、、扩频技术、功率控制技术、与交织结合的差错控制技术、分集接收技术等。的差错控制技术、分集接收技术等。多径效应多径效应 当在多径信道中传输数字信号时，特别是传输高速数字信号，当在多径信道中传输数字信号时，特别是传输高速数字信号，频频率选择性衰落将会引起严重的码间干扰率选择性衰落将会引起严重的码间干扰。为了减小码间干扰的影响，。为了减小码间干扰的影响， 就必须就必须限制数字信号传输速率限制数字信号传输速率，码元传输速率降低，信号的带宽也随，码元传输速率降低，信号的带宽也随之减小，多径效应的影响也随之减轻。之减小，多径效应的影响也随之减轻。 68 在工程设计中，为了保证接收信号质量，在工程设计中，为

51、了保证接收信号质量， 通常选择信号带宽为通常选择信号带宽为相关带宽的相关带宽的1/51/3。 B=（1/51/3）f 数字信号占用的带宽取决于码元速率数字信号占用的带宽取决于码元速率RB， RB等于码元宽度等于码元宽度TS的倒数，因此，的倒数，因此，随参信道传输数字信号的码元宽度应满足：随参信道传输数字信号的码元宽度应满足： TS =（35） m多径效应多径效应69多径传播对信号的影响：多径传播对信号的影响：（1）瑞利型衰落）瑞利型衰落-波形上，确知等幅度变成了包络缓慢起伏的随波形上，确知等幅度变成了包络缓慢起伏的随机调幅波（衰落信号）机调幅波（衰落信号）（2）频率弥散（频率扩展）频率弥散（频

52、率扩展）-频谱上，单根谱线变成了窄带频谱。频谱上，单根谱线变成了窄带频谱。 （3）频率选择性衰落：）频率选择性衰落：多径信道的传输衰减和信号频率及多径信道的传输衰减和信号频率及 时延差时延差 有关，因而导致信号（特别是宽带信号）中某些频率成分或其倍有关，因而导致信号（特别是宽带信号）中某些频率成分或其倍频波随机性衰落。频波随机性衰落。它是多径效应中最严重的一种。它是多径效应中最严重的一种。多径效应多径效应70时间扩展（频率选择性衰落）时间扩展（频率选择性衰落） 相干带宽：相干带宽：信道在两个频率处的频率相应保持强相关情况信道在两个频率处的频率相应保持强相关情况下的最大频率差。下的最大频率差。移

53、动通信中的多径效应移动通信中的多径效应相干带宽与时延扩展成反比相干带宽与时延扩展成反比1f 时间扩展或相干带宽对衰落的影响：时间扩展或相干带宽对衰落的影响： 频率选择性衰落：频率选择性衰落：信号带宽信号带宽Bs 相干带宽相干带宽f 码元间隔码元间隔Ts 时延扩展时延扩展 平坦衰落：平坦衰落：信号带宽信号带宽Bs 相干带宽相干带宽f 码元间隔码元间隔Ts 时延扩展时延扩展 71移动通信中的多径效应移动通信中的多径效应72 平坦衰落也称之为（空间选择性衰落）平坦衰落也称之为（空间选择性衰落）：是指不同的地点、不是指不同的地点、不同的传输路径衰落特性不一样，它是由于开放型的时变信道使天线的同的传输路

54、径衰落特性不一样，它是由于开放型的时变信道使天线的点波束产生了扩散而引起了空间选择性衰落。点波束产生了扩散而引起了空间选择性衰落。这里的平坦特性是指在这里的平坦特性是指在时域、频域中时域、频域中不存在不存在选择性衰落。选择性衰落。最有效的克服手段是空间分集和其最有效的克服手段是空间分集和其他空域处理方法。他空域处理方法。 频率选择性衰落频率选择性衰落是指不同的频率衰落特性不一样，引起时延扩散，是指不同的频率衰落特性不一样，引起时延扩散，在不同的频段上衰落特性不一样。在不同的频段上衰落特性不一样。它是信道在时域的时延扩散而引起它是信道在时域的时延扩散而引起了在频域的选择性衰落。了在频域的选择性衰

55、落。最有效的克服方法有自适应均衡、最有效的克服方法有自适应均衡、OFDM及及 CDMA系统中的系统中的RAKE接收等。接收等。移动通信中的多径效应移动通信中的多径效应73 在移动通信中，移动信道是多径传播的随参信道，接收信号载频在移动通信中，移动信道是多径传播的随参信道，接收信号载频发生发生多普勒频移多普勒频移。 设发射信号设发射信号 是一个频率为是一个频率为f的正弦波，对于到达移动台的某一径的正弦波，对于到达移动台的某一径入射波和运动方向的夹角为入射波和运动方向的夹角为，v是移动台的运动速度，是移动台的运动速度，为载波波长。为载波波长。 接收信号的功率谱展宽，此称为接收信号的功率谱展宽，此称

56、为多普勒扩展多普勒扩展。移动通信中的多径效应移动通信中的多径效应cosmvf移动而产生的频移值为移动而产生的频移值为v74移动通信中的多径效应移动通信中的多径效应 频移值频移值f与运动速度有关与运动速度有关,即即 式中式中c为光速（为光速（3108m/s)。当。当v很小时，很小时，fm也很小，多普也很小，多普勒频移可忽略不计。但在速度很高的运载体勒频移可忽略不计。但在速度很高的运载体(如超音速飞机如超音速飞机)上上则必须考虑多普勒频移。且频率越高，频移越大。则必须考虑多普勒频移。且频率越高，频移越大。coscoscos/mvvvffcfcmfvfc75 反映了冲击响应的时变，即信道的冲击响应对

57、传输信号产生反映了冲击响应的时变，即信道的冲击响应对传输信号产生快衰快衰落落（时间选择性衰落）（时间选择性衰落）或或慢衰落慢衰落。移动通信中的多径效应移动通信中的多径效应1cmTf 多普勒频移的倒数定义为多普勒频移的倒数定义为信道相干时间信道相干时间 如果基带信号的符号周期如果基带信号的符号周期Ts小于信道的相干时间小于信道的相干时间Tc，则在基带，则在基带信号的传输过程中信道信号的传输过程中信道不会发生改变不会发生改变，也，也不会产生时间选择性衰落不会产生时间选择性衰落，也称也称慢衰落慢衰落，即，即h(t)在若干个符号间隔内保持不变。在若干个符号间隔内保持不变。76 如果基带信号的符号周期如

58、果基带信号的符号周期Ts大于信道的相干时间大于信道的相干时间Tc，则在基带信，则在基带信号的传输过程中号的传输过程中信道可能会发生改变信道可能会发生改变，导致接收信号发生失真导致接收信号发生失真，产，产生生时间选择性衰落时间选择性衰落，也称快衰落。也称快衰落。 时间选择性衰落：时间选择性衰落：是指是指快速移动快速移动在频域上产生多普勒效应而引起在频域上产生多普勒效应而引起频率扩散频率扩散。在不同的时间衰落特性不一样。由于用户的高速移动在。在不同的时间衰落特性不一样。由于用户的高速移动在频域引起了多普勒频移，在相应的时域上其波形产生了时间选择性频域引起了多普勒频移，在相应的时域上其波形产生了时间

59、选择性衰落。衰落。 最有效的克服方法是采用信道交织编码技术。最有效的克服方法是采用信道交织编码技术。即将由于时间选即将由于时间选择性衰落带来的大突发性差错信道改造成为近似性独立差错的择性衰落带来的大突发性差错信道改造成为近似性独立差错的AWGN信道。信道。移动通信中的多径效应移动通信中的多径效应77 多普勒扩展或相干时间对衰落的影响：多普勒扩展或相干时间对衰落的影响： 快衰落快衰落：码元间隔：码元间隔Ts 相干时间相干时间Tc 基带信号带宽基带信号带宽Bs 多普勒频移多普勒频移fm 慢衰落慢衰落：码元间隔：码元间隔Ts 相干时间相干时间Tc 基带信号带宽基带信号带宽Bs 多普勒频移多普勒频移f

60、m移动通信中的多径效应移动通信中的多径效应78移动通信中的多径效应移动通信中的多径效应79相干带宽相干带宽是表征是表征多径信道特性多径信道特性的一个重要参数，它是指某一特定的一个重要参数，它是指某一特定的频率范围，在该频率范围内的任意两个频率分量都具有很强的幅度的频率范围，在该频率范围内的任意两个频率分量都具有很强的幅度相关性，即在相干带宽范围内，多径信道具有恒定的增益和线性相位。相关性，即在相干带宽范围内，多径信道具有恒定的增益和线性相位。通常，相干带宽近似等于最大多径时延的倒数。通常，相干带宽近似等于最大多径时延的倒数。定义相干带宽一般是用来划分定义相干带宽一般是用来划分平坦衰落信道平坦衰